KR101934539B1 - 기동토크가 개선된 다단발전기 - Google Patents

Abstract

회전자 및 고정자가 다단으로 형성된 기동토크가 개선된 다단발전기는, 상기 다단발전기는 각 단에 외부 동력원으로 회전중심축에 연결되어 회전되는 다수개의 영구자석이 내장되도록 형성된 2개의 회전자 디스크로 이루어진 회전자 사이에 위치하여 유도전압을 발생하는 다수개의 권선 코어로 형성된 고정자를 포함하며, 상기 다수개의 고정자의 권선 코어는 대응하는 회전자 사이의 원주 공간에 상기 회전중심축을 중심으로 동일한 사이각의 각도로 이격되도록 균일하게 배치되며, 이웃하는 단의 권선 코어는 각각 전단과 일정 각도로 틀어지도록 회전되어 배치되며, 상기 회전자에 형성되는 영구자석의 개수와 상기 고정자의 권선 코어 개수는 원형으로 균일하게 배분되어 배치될 때, 상기 영구자석과 권선 코어의 위치가 1개 이외에는 서로 완전히 겹치지 않도록 하는 조합으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

기동토크가 개선된 다단발전기{Multi-stage power generator with improved starting torque}

본 발명은 기동토크가 개선된 다단발전기에 관한 기술이다.

석유 에너지 고갈 및 환경오염 문제가 대두함에 따라, 전기 에너지에 대한 필요성이 점차 확대되고 있다. 이에 따라 에너지를 변환하는 발전기에 대한 중요성 또한 증가하고 있다.

전자기 유도에 의한 기전력의 방향은 도체에 영구 자석을 움직이는 방향 및 영구 자석의 극성에 의하여 결정되는데, 렌쯔의 법칙과 플레밍의 오른손 법칙은 이러한 전자기 유도에 의한 기전력의 방향을 판단하는 방법 중 하나 임을 알 수 있다.

유도 기전력의 방향에 있어서, 렌쯔의 법칙은 유도 기전력은 코일을 통한 자속이 증가하게 될 때 이것을 감소시키는 방향으로, 감소하게 될 때 증가시키는 방향으로 발생해서 유도 전류가 흐른다고 정의하고 있다. 즉, 유도기전력은 자속의 변화를 방해하는 방향에 생기게 됨을 의미한다.

이와 같은 전자기 유도의 성질을 이용한 것이 발전기이다. 발전기는 다양한 에너지원으로부터 발생되는 운동 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 기기로서, 모든 발전기는 전술한 바와 같은 전자기 유도 작용을 이용하여 기전력을 발생시키게 된다.

일반적인 발전기는 자석 또는 코일을 기계적으로 회전시켜 전기를 발생시키게 되고, 자기 유도 철심에 감긴 코일에는 전자 유도에 의해 발생한 역전류가 흐르게 된다. 하지만, 종래의 발전기는 역기전력에 의한 와전류손, 히스테리시스손 등에 의한 전류 손실, 과부하, 열손실에 의한 발전기의 훼손 등으로 인하여 전력 생산 효율성이 급격하게 감소하게 되는 문제점이 있다.

이 중 영구자석 발전기는, 높은 에너지 밀도를 가지고 있는 희토류 자성체의 발견으로 인하여 보다 경량화, 소형화가 가능해 지고, 보다 높은 효율을 가질 수 있는 등의 장점 때문에 다양한 용도로 사용되고 있다.

특히, 영구자석형 발전기는 최근 네오디움 합금 계열과 같은 고밀도 에너지를 갖는 희토류계 영구자석의 사용으로 높은 운전 효율과 높은 출력 밀도를 갖게 되며, 계자권선과 전류를 필요로 하지 않기 때문에 일반적인 유도기 및 동기기에 비해 구조면에서 단순하여 제작이 용이하다는 장점을 갖는다.

또한, Gear box가 불필요하여 신뢰성이 향상된다. 따라서, 풍력터빈과 발전기를 직접 연결하는 시스템에서 발생하는 어려움을 해결하는 대안으로 영구자석형 발전기가 우월한 지위를 가질 수 있다.

그러나 영구자석을 발전기에 사용함으로써, 가장 문제가 되는 부분은 기동토크이다. 이는 발전기가 풍력터빈과 직접 연결했을 때 높은 기동토크를 가질 경우 바람의 cut-in speed에서 풍력터빈의 기동을 막기 때문이다. 영구자석 발전기의 기동토크는 코깅 토크(Cogging torque), 히스테리시스 토크(Hysteresis torque) 및 발전기의 베어링 마찰을 이기기 위해 필요한 토크를 포함하며, 코깅 토크가 특히 기동토크의 대부분을 차지하므로 기동토크를 줄이기 위해 코깅 토크를 저감할 수 있는 발전기의 구조가 필요하다.

본 발명 기술에 대한 배경기술은 대한민국 공개특허공보 KR 2009-0074186 A1(발전기)에 게시된 바 있다.

대한민국공개특허공보 KR 2009-0074186 A1(발전기)

본 발명은 회전자에 형성된 영구자석과 고정자의 권선 코어 간에 작용되는 인력이 서로 상쇄되는 조합으로 구성되어 기동토크가 개선된 다단발전기의 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면, 회전자 및 고정자가 다단으로 형성된 다단발전기에 있어서, 상기 다단발전기는 각 단에 외부 동력원으로 회전중심축에 연결되어 회전되는 다수개의 영구자석이 내장되도록 형성된 2개의 회전자 디스크로 이루어진 회전자 사이에 위치하여 유도전압을 발생하는 다수개의 권선 코어로 형성된 고정자를 포함하며, 상기 다수개의 고정자의 권선 코어는 대응하는 회전자 사이의 원주 공간에 상기 회전중심축을 중심으로 동일한 사이각의 각도로 이격되도록 균일하게 배치되며, 이웃하는 단의 권선 코어는 각각 전단과 일정 각도로 틀어지도록 회전되어 배치되며, 상기 회전자에 형성되는 영구자석의 개수와 상기 고정자의 권선 코어 개수는 원형으로 균일하게 배분되어 배치될 때, 상기 영구자석과 권선 코어의 위치가 1개 이외에는 서로 완전히 겹치지 않도록 하는 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 기동토크가 개선된 다단발전기가 제공된다.

또한, 상기 이웃하는 후단의 권선 코어는 각각 상기 사이각을 전체 단수로 나눈 값의 각도만큼 틀어지도록 회전되어 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다단발전기는 5단으로 형성되며, 각 단에 상기 권선 코어는 상기 사이각이 72°의 간격으로 5개로 형성되고, 상기 회전자의 영구자석은 상기 회전중심축을 중심으로 40°의 간격으로 9개가 형성되며, 이웃하는 단의 권선 코어는 각각 전단과 14.4° 각도로 틀어지도록 회전되어 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다단발전기는 8단으로 형성되며, 각 단에 상기 고정자 권선 코어는 상기 사이각이 72°의 간격으로 5개로 형성되고, 상기 회전자의 영구자석은 상기 회전중심축을 중심으로 40°의 간격으로 9개가 형성되며, 이웃하는 단의 권선 코어는 각각 전단과 9° 각도로 틀어지도록 회전되어 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다단발전기는 7단으로 형성되며, 각 단에 상기 고정자 권선 코어는 상기 사이각이 72°의 간격으로 5개로 형성되고, 상기 회전자의 영구자석은 상기 회전중심축을 중심으로 60°의 간격으로 6개가 형성되며, 제1단에서 제4단까지, 제5단에서 7단까지는 각각 이웃하는 단의 권선 코어가 각각 전단과 9° 각도로 틀어지도록 회전되어 배치되며, 제5단의 권선 코어는 제4단의 권선 코어와 18° 각도로 틀어지도록 회전되어 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고정자의 권선 코어는 각 단에서 각각 전압 위상 차가 가장 적은 권선 코어의 권선을 하나씩 선택하여 직렬로 연결하고, 정류회로를 거쳐서 직류전원으로 변환한 다음, 상기 변환된 직류전원들을 다시 직렬로 연결하여 출력전원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회전자 중 최외곽 회전자 디스크에는 영구자석의 이탈을 방지할 수 있도록 회전자 커버를 장착한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회전자 중 최외곽 회전자 디스크를 제외한 회전자의 각 영구자석을 장착하기 위한 끼움 부위를 이웃하는 회전자 디스크 사이에 위치하도록 구성하여 이탈을 방지하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 각 단에서 각 고정자의 틀어진 각도로 인하여 고정자와 회전자의 영구자석 사이에 작용하는 힘이 최소화되고 적은 코킹토크를 가지며, 기동토크가 개선된 발전장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기동토크가 개선된 다단발전기의 개략적인 내부 배치구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기동토크가 개선된 다단발전기에서 한 단에 대한 회전자의 구조의 예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기동토크가 개선된 다단발전기에서 일 단에 대한 회전자 및 고정자의 권선 코어의 배치 구조의 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기동토크가 개선된 다단발전기의 개략적인 내부 단면구조를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기동토크가 개선된 다단발전기에서 기동토크를 줄일 수 있는 영구자석과 권선 코어의 조합을 표로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기동토크가 개선된 5단의 다단발전기의 예로서, 5개의 권선 코어를 가지는 고정자 및 9개의 영구자석으로 형성된 회전자의 각 단의 배치각을 나타낸 것이다.
도 7은 도 6에서 각 단의 권선 코어와 회전자의 영구자석 간에 작용되는 인력에 대한 힘의 벡터를 도시한 것이다.
도 8은 도 7에서 각 단의 권선 코어와 회전자의 영구자석 간에 작용되는 인력에 대한 힘의 벡터가 상대적으로 상쇄되는 부분을 표시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기동토크가 개선된 다단발전기에서 5개의 권선 코어의 회로 연결 예를 도시한 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.

이하 본 발명의 구현에 따른 기동토크가 개선된 다단발전기의 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 일 실시 예에서는 영구 자석이 자력의 한계상 대용량 발전기의 구현이 곤란하다는 문제 및 풍력을 이용한 저속 구동력으로 고전압 및 대용량을 구현하기 용이하도록 발전기의 구조를 다단으로 형성된다.

또한, 영구자석 발전기의 기동토크는 코깅 토크(Cogging torque), 히스테리시스 토크(Hysteresis torque) 및 발전기의 베어링 마찰을 이기기 위해 필요한 토크를 포함한다.

코깅 토크가 특히 기동토크의 대부분을 차지하므로 본 발명의 일 실시 예에서는 기동토크를 줄이기 위해 회전자 자석과 고정자의 코어 상호 작용에 의한 코깅토크 를 저감할 수 있는 발전기의 구조를 제공하는 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기동토크가 개선된 다단발전기의 개략적인 내부 배치구조를 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 기동토크가 개선된 다단발전기(1)는 다단으로 형성된다.

각 단은 외부 동력원으로 회전중심축(99)에 연결되어 회전되는 2개의 회전자 디스크(111, 112)로 이루어진 회전자와 상기 2개의 회전자 디스크(111, 112) 사이에 위치하여 유도전압을 발생하는 다수개의 고정자 권선 코어(211~215)로 구성된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 각 고정자는 고정자 권선코어에 전기자 권선이 장착된 구조로 형성된다.

상기 고정자의 권선 코어는 발전기의 외부 케이스(미도시됨) 구조물에 지지되어 고정될 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 각 단에는 회전자 디스크 사이의 원주 공간에 다수의 고정자 권선 코어(811 ~ 815)가 동일한 사이각의 각도로 이격되도록 균일하게 배치되며, 이웃하는 후단의 권선 코어는 각각 이 사이각을 전체 단수로 나눈 값의 각도만큼 전단과 틀어지도록 회전되어 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 회전자에 형성되는 영구자석의 개수와 고정자의 권선 코어 개수는 원형으로 균일하게 배분되어 배치될 때, 영구자석과 권선 코어의 위치가 1개 이외에는 서로 완전히 겹치지 않도록 하는 조합으로 구성된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 기동토크가 개선된 다단발전기는 각 단의 고정자 권선 코어가 이웃하는 단과 순차적으로 일정하게 틀어진 각도로 인하여 고정자의 권선 코어와 회전자의 영구자석 사이에 작용하는 인력이 대부분 상쇄되어 기동토크가 최소화되는 효과를 가진다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기동토크가 개선된 다단발전기에서 한 단에 대한 회전자의 구조의 예를 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 각 단의 회전자는 2개의 원형의 디스크가 일정 간격으로 이격되어 형성되며, 각 회전자 디스크(111, 112)에는 디스크의 원둘레 주변을 따라 일정 각도 간격으로 다수 개의 영구자석(M1~ M6)이 내장된다.

도 2를 참조하면, 제1단의 회전자 디스크(111, 112)에는 60°의 간격으로 6개의 영구자석(M1 ~ M6) 이 내장된다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기동토크가 개선된 다단발전기에서 일 단에 대한 회전자 및 고정자의 권선 코어의 배치 구조의 예를 도시한 것이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 각 단에는 회전자 디스크(111, 112) 사이의 이격 공간에 다수의 고정자 권선 코어(811 ~ 815)가 일정 각도 간격의 원형으로 배분하여 배치된다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기동토크가 개선된 다단발전기의 개략적인 내부 단면구조를 도시한 것이다.

도 3, 4를 참조하면, 제1단의 회전자 디스크(111, 112) 사이의 이격 공간에 5개의 고정자 권선 코어(811~815)가 회전중심축(99)을 중심으로 72°의 간격으로 원형으로 배분하여 배치된다.

즉, 5개의 고정자 권선 코어(811~815)의 양측으로 제1 회전자 디스크(111) 및 제2 회전자 디스크(112)가 위치되며, 제1 회전자 디스크(111)와 제2 회전자 디스크(112)에는 각각 60°의 간격으로 마주보는 방향으로 서로 반대 극성을 가지는 6개의 영구자석(M1 ~ M6)이 내장되도록 형성된다.

도 4를 참조하면, 최외곽 회전자 디스크(111)에는 영구자석의 이탈을 방지할 수 있도록 회전자 커버(90)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 에에 따르면, 내측 회전자의 영구자석들(1M1, 2M1-1)은 각 영구자석을 장착하기 위한 끼움 부위를 이웃하는 회전자 디스크 사이에 위치하도록 구성하여 이탈을 방지하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기동토크가 개선된 다단발전기에서 기동토크를 줄일 수 있는 영구자석과 권선 코어의 조합을 표로 나타낸 것이다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 인접된 영구자석에 의해 권선 코어에 작용하는 인력을 상쇄시켜서 기동토크를 줄이기 위한 방안으로 회전자에 구성되는 영구자석의 개수와 고정자의 권선 코어 개수의 선정은, 영구자석과 권선 코어의 위치가 1개만 동일하게 위치하는 조합으로 선정하는 것이 바람직하다.

도 5를 참조하면, 4*5의 경우 영구자석을 4개로 했을 때 권선 코어의 개수는 5개로 한다. 이때 영구자석과 권선 코어가 겹치는 곳은 360도 한 곳이 된다.

또 다른 예로서, 5*9의 경우 영구자석을 5개로 했을 때 권선 개수는 9개로 한다. 이때 영구자석과 권선 코어가 겹치는 곳은 360도 한곳이 된다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 영구자석의 개수와 권선 개수를 바꾸어도 결과는 동일하다.

만약 6*9의 경우에는 영구자석과 권선 코어가 겹치는 곳이 세 곳(120, 240, 360도)이 되어 기동 시 회전자를 회전시키기 위한 기동토크가 한 곳인 예에 비하여 더 크게 필요로 한다.

도 5를 참조하면, 가로는 영구자석의 개수를 나타내며, 세로는 권선 코어의 개수를 나타낸다. 영구자석의 개수를 기준으로 영구자석과 권선 코어가 겹치는 곳이 하나인 것에 대한 조합을 도 5의 하단박스 내에 표시하였다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 대한 이해를 돕기 위해 영구자석과 권선 코어의 개수를 24 X 24의 예를 들어 표시한 것으로써, 필요에 따라 더 많은 개수의 조합도 가능하다.

표 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기동토크가 개선된 다단발전기에서 5단으로 형성하고 5개의 권선 코어를 가지는 고정자 및 9개의 영구자석으로 형성된 회전자의 배치각을 나타낸 것이다.

표 1에서 회전자에는 9개의 영구자석이 40°의 사이각 간격으로 회전중심축울 중심으로 균일하게 원형으로 배치되며, 각 단의 회전자 디스크 사이에는 5개의 고정자 권선 코어가 사이각 72° 간격으로 균일하게 배치된다.

표 1을 참조하면, 각 단의 고정자에 권선 코어가 사이각 72° 간격으로 균일하게 배치되며, 이웃하는 단의 권선 코어는 각각 이 사이각을 전체 단수로 나눈 값의 각도만큼 전단과 틀어지도록 회전되어 배치된 것을 나타낸다.

표 1을 참조하면, 다단 발전기를 5단으로 구성할 경우 고정자 권선 코어가 각 단마다 틀어진 회전각도는 72도/5단 = 14.4도/단으로 되어 각 단을 14.4도씩 틀어지도록 회전시켜 배치된다.

이 경우 정지 시에 회전자의 영구자석과 고정자의 권선 코어가 동일한 위치에 배치되는 경우는 한 곳뿐이다.

표 1을 참조하면, 0을 기준으로 할 때, 정지 시에 회전자의 영구자석과 고정자의 권선 코어가 동일한 위치에 배치되는 위치는 0° 한 곳뿐이다.

정지 시에 회전자의 영구자석과 고정자의 권선 코어 간에는 회전자의 영구자석의 자력에 의한 인력이 회전중심축(99)을 중심으로 작용하게 되며, 이 인력은 기동토크의 주된 원인으로 작용하게 된다.

본 발명의 일 실시 예에서는 정지 시에 회전자의 영구자석과 고정자의 권선 코어 간에 작용되는 인력에 의한 기동토크를 줄이기 위한 다단 발전기의 회전자와 고정자 권선 코어의 배치 구조를 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 5개의 권선 코어를 가지는 고정자 및 9개의 영구자석으로 형성된 5단 발전기의 경우, 정지 시에 영구자석과 고정자의 권선 코어가 동일한 위치에 배치되는 위치는 0°이며, 나머지 위치에서는 영구자석과 고정자의 권선 코어 간에 작용하는 인력에 대한 힘의 전체적인 상대각도의 합이 0이 된다.

즉, 각 단에서는 한 곳을 제외하고 나머지에서는 작용하는 인력이 서로 상쇄되어 기동 시 기동토크를 줄일 수 있는 효과를 가진다.

예를 들면, 권선 코어의 각도를 회전자의 영구자석과 동일하게 배치하는 것에 비하여 영구자석과 고정자의 권선 코어 간에 작용하는 인력에 의한 기동토크를 1/5로 줄일 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기동토크가 개선된 5단의 다단발전기의 예로서, 5개의 권선 코어를 가지는 고정자 및 9개의 영구자석으로 형성된 회전자의 간 단의 배치각을 나타낸 것이다.

도 6 a를 참조하면, 제1단에서 제1번 영구자석(1M1)과 제1 권선 코어(511)가 동일 위치에 배치될 때, 나머지 권선 코어(512, 513, 514, 515)와 나머지 영구자석들(1M2 ~ 1M9)의 배치 구조를 도시한 것이다.

도 6 b는 제2단의 배치구조를 나타낸 것으로써, 각 권선 코어(521, 522, 523, 524, 525)가 제1단보다 14.4° 틀어지도록 회전되어 배치된다,

도 6 c는 제3단의 배치구조를 나타낸 것으로써, 각 권선 코어(531, 532, 533, 534, 535) 가 제2단보다 14.4° 틀어지도록 회전되어 배치되며, 제1단에 대하여는 28.8° 틀어지도록 회전되어 배치된다.

도 6 d는 제4단의 배치구조를 나타낸 것으로써, 회전자가 정지 시 각 권선 코어(541, 542, 543, 544, 545)가 제3단보다 14.4° 틀어지도록 회전되어 배치되며, 제1단에 대하여는 43.2° 틀어지도록 회전되어 배치된다.

도 6 e는 제5단의 배치구조를 나타낸 것으로써, 각 권선 코어(551, 552, 553, 554, 555) 가 제4단보다 14.4° 틀어지도록 회전되어 배치되며, 제1단에 대하여는 57.6° 틀어지도록 회전되어 배치된다.

도 7은 도 6에서 각 단의 권선 코어와 회전자의 영구자석 간에 작용되는 인력에 대한 힘의 벡터를 도시한 것이다.

도 7을 참조하면, 각 단에서는 정지 시에 회전자의 영구자석과 고정자의 권선 코어 간에는 회전자의 영구자석의 자력에 의한 인력이 회전중심축(99)을 중심으로 작용하게 된다.

도 8은 도 7에서 각 단의 권선 코어와 회전자의 영구자석 간에 작용되는 인력에 대한 힘의 벡터가 상대적으로 상쇄되는 부분을 표시한 것이다.

도 8을 참조하면, 서로 상쇄되는 부분은 같은 도형의 박스로 표시하였다.

도 8을 참조하면, 제1단의 제3 권선 코어(513)에 작용하는 힘은 제1단의 제4 권선 코어(514)에 작용하는 힘과 중심축(99)에 대하여 서로 상쇄되는 크기와 방향으로 작용한다.

또한, 제1단의 제2 권선 코어(512)에 작용하는 힘은 제1단의 제5권선 코어(515)에 작용하는 힘과 중심축(99)에 대하여 서로 상쇄되는 크기와 방향으로 작용한다.

또한, 제2단의 제1 권선 코어(521)에 작용하는 힘은 제5단의 제5 권선 코어(555)에 작용하는 힘과 중심축(99)에 대하여 서로 상쇄되는 크기와 방향으로 작용한다.

또한, 제2단의 제2 권선 코어(522)에 작용하는 힘은 제5단의 제4 권선 코어(554)에 작용하는 힘과, 제2단의 제3 권선 코어(523)에 작용하는 힘은 제5단의 제3 권선 코어(553)에 작용하는 힘과, 제2단의 제4 권선 코어(524)에 작용하는 힘은 제5단의 제2 권선 코어(552)에 작용하는 힘과, 각각 중심축(99)에 대하여 서로 상쇄되는 크기와 방향으로 작용한다.

또한, 제3단의 제1 권선 코어(531)에 작용하는 힘은 제4단의 제5 권선 코어(545)에 작용하는 힘과, 제3단의 제2 권선 코어(532)에 작용하는 힘은 제4단의 제4 권선 코어(544)에 작용하는 힘과, 제3단의 제3 권선 코어(533)에 작용하는 힘은, 제4단의 제3 권선 코어(543)에 작용하는 힘과, 제3단의 제4 권선 코어(534)에 작용하는 힘은 제4단의 제2 권선 코어(542)에 작용하는 힘과, 제3단의 제5 권선 코어(535)에 작용하는 힘은 제4단의 제1 권선 코어(541)에 작용하는 힘과, 각각 중심축(99)에 대하여 서로 상쇄되는 크기와 방향으로 작용한다.

결과적으로 5단 중에서 제1단의 제1 권선 코어(541)와 영구자석(M1) 사이의 인력만 존재하게 되고 나머지 인력에 의한 힘들은 모두 상쇄된다.

이와 같은 구조에서는 회전자가 회전하더라도 회전자의 영구자석과 권선 코어가 동일한 위치를 가지는 곳은 5단중에서 어느 일 단의 1곳으로만 형성된다.

따라서, 한 단에서 한 곳을 제외하고, 각 단의 나머지 권선 코어에서는 작용하는 인력이 서로 상쇄되어 기동 시 기동토크를 줄일 수 있는 효과를 가진다.

표 2는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 기동토크가 개선된 다단발전기에서 각 단은 8단으로 형성하고 5개의 권선 코어를 가지는 고정자 및 9개의 영구자석으로 형성된 회전자의 배치각을 나타낸 것이다.

표 2에서의 하부는 각 단에서의 고정자와 회전자의 영구자석의 상대적 각도를 나타낸다.

표 2에서, 각 단의 고정자에 권선 코어가 사이각 72° 간격으로 균일하게 배치되며, 이웃하는 단의 권선 코어는 각각 이 사이각을 전체 단수로 나눈 값의 각도만큼 전단과 틀어지도록 회전되어 배치된 것을 나타낸다.

표 2를 참조하면, 다단 발전기를 8단으로 구성할 경우 고정자 권선 코어가 각 단마다 틀어진 회전각도는 9도(72도/8단)로 되어 각 단을 9도씩 틀어지도록 회전시켜 배치된다.

표 2를 참조하면, 제1단은 0° 위치의 권선 코어를 제외하고 나머지 4개의 권선 코어에 작용되는 인력의 힘은 중심회전중심축(99)에 대하여 서로 상쇄된다.

또한, 제2단은 제8단과 작용되는 인력의 힘의 세기와 방향이 중심회전중심축(99)에 대하여 반대로 되어 서로 상쇄된다.

또한, 제3단은 제7단과 작용되는 인력의 힘의 세기와 방향이 중심회전중심축(99)에 대하여 반대로 되어 서로 상쇄된다.

또한, 제4단은 제6단과 작용되는 인력의 힘의 세기와 방향이 중심회전중심축(99)에 대하여 반대로 되어 서로 상쇄된다.

한편, 제5단은 20°의 권선 코어를 제외하고 나머지 4개의 권선 코어에 작용되는 인력의 힘은 중심회전중심축(99)에 대하여 서로 상쇄된다.

각 단은 9개의 영구자석이 원형으로 배치되어 각 영구자석 간의 사이각은 40° 간격으로 배치된다. 제5단은 20°의 권선 코어는 두 영구자석의 중심에 위치하게 되므로 작용되는 인력은 중심회전중심축에 대하여 양측으로 상쇄되도록 작용된다.

결과적으로 8단 중에서 제1단의 하나의 권선 코어와 하나의 영구자석 사이의 인력만 존재하게 되고 나머지 인력에 의한 힘들은 모두 상쇄된다.

따라서, 한 단의 한 곳을 제외하고 각 단의 나머지 권선 코어에서는 작용하는 인력이 서로 상쇄되어 기동 시 기동토크를 줄일 수 있는 효과를 가진다.

표 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 기동토크가 개선된 다단발전기에서 각 단은 8단으로 형성하고 5개의 권선 코어를 가지는 고정자 및 6개의 영구자석으로 형성된 회전자의 배치각을 나타낸 것이다.

표 3에서의 하부는 각 단에서의 고정자와 회전자의 영구자석의 상대적 각도를 나타낸다.

표 3에서, 각 단의 고정자에 권선 코어가 사이각 72° 간격으로 균일하게 배치되며, 이웃하는 단의 권선 코어는 각각 이 사이각을 전체 단수로 나눈 값의 각도만큼 전단과 틀어지도록 회전되어 배치된 것을 나타낸다.

표 3을 참조하면, 다단 발전기를 8단으로 구성할 경우 고정자 권선 코어가 각 단마다 틀어진 회전각도는 9도(72도/8단)로 되어 각 단을 9도씩 틀어지도록 회전시켜 배치된다.

표 3을 참조하여 각 권선 코어에 작용하는 힘이 상쇄되는 곳을 제외하면, 정지 시에 남아있는 인력이 작용하는 곳은 회전자의 영구자석과 고정자의 권선 코어가 동일한 위치에 배치되는 경우인 0°, 180° 두 곳으로 나타난다.

따라서 이 실시 예에서는 앞서 설명한 8단의 5개의 권선 코어를 가지는 고정자 및 6개의 영구자석으로 형성된 회전자로 이루어진 다단발전기에 비하여 기동토크가 더 소요될 수 있다.

따라서, 이 경우는 5단 회전자를 제거하고 7단으로 구성하여 7단의 5개의 권선 코어를 가지는 고정자 및 6개의 영구자석으로 형성된 회전자로 이루어진 다단발전기로 구성하면, 한 단의 한 곳을 제외하고 각 단의 나머지 권선 코어에서는 작용하는 인력이 서로 상쇄되어 기동 시 적은 기동토크로 회전자를 회전시킬 수 있게 된다.

7단으로 구성될 경우 제1단에서 제4단까지, 제5단에서 7단까지는 각각 이웃하는 단의 권선 코어는 각각 전단과 9° 각도로 틀어지도록 회전되어 배치되며, 제4단에서 제5단은 18° 각도로 틀어지도록 회전되어 배치되는 것을 특징으로 한다.

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기동토크가 개선된 다단발전기에서 5개의 권선 코어의 회로 연결 예를 도시한 것이다.

본 발명의 일 실시 예에서는 고정자에 있는 5개의 권선 코어의 권선은 전압위상이 각각 다르기 때문에 병렬로 직접 연결할 수 없다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 다단발전기에서 각 단에서 전압 위상 차가 가장 적은 권선을 하나씩 선택하여 직렬 연결하여 사용하게 된다.

도 9 및 도 6을 참조하면, 제1단의 제5 권선 코어(515)의 권선, 제2단의 제2 권선 코어(522)의 권선, 제3단의 제4 권선 코어(534)의 권선, 제4단의 제5 권선 코어(545)의 권선, 제5단의 제2 권선 코어(552)의 권선을 직렬로 연결하고, 정류회로를 거쳐서 제5전원으로 생성한다.

또한, 제1단의 제4 권선 코어(514)의 권선, 제2단의 제2 권선 코어(521)의 권선, 제3단의 제3 권선 코어(533)의 권선, 제4단의 제4 권선 코어(544)의 권선 및 제5단의 제1 권선 코어(551)의 권선을 직렬로 연결하고, 정류회로를 거쳐서 제4전원으로 생성한다.

또한, 제1단의 제3 권선 코어(513)의 권선, 제2단의 제5 권선 코어(525)의 권선, 제3단의 제2 권선 코어(532)의 권선, 제4단의 제3 권선 코어(543)의 권선 및 제5단의 제5 권선 코어(555)의 권선을 직렬로 연결하고, 정류회로를 거쳐서 제3전원으로 생성한다.

또한, 제1단의 제2 권선 코어(512)의 권선, 제2단의 제4 권선 코어(524)의 권선, 제3단의 제1 권선 코어(531)의 권선, 제4단의 제2 권선 코어(542)의 권선 및 제5단의 제4 권선 코어(554)의 권선을 직렬로 연결하고, 정류회로를 거쳐서 제2전원으로 생성한다.

또한, 제1단의 제1 권선 코어(511)의 권선, 제2단의 제3 권선 코어(523)의 권선, 제3단의 제5 권선 코어(535)의 권선, 제4단의 제1 권선 코어(541)의 권선 및 제5단의 제3 권선 코어(553)의 권선을 직렬로 연결하고, 정류회로를 거쳐서 제1전원으로 생성한다.

도 9를 참조하면, 직렬로 연결된 각 5개의 전원은 전압위상이 다르기 때문에 정류 후에 직렬 혹은 병렬 연결하여 사용한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 병렬연결은 각 전원간 부하 불균형이 발생할 가능성이 있기 때문에 직렬연결이 바람직하다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 다단발전기는 각 고정자의 틀어진 각도로 인하여 고정자와 회전자의 영구자석 사이에 작용하는 힘이 최소화되고 적은 기동토크와 코깅토크를 갖는 발전장치를 제공할 수 있다.

1: 기동토크가 개선된 다단발전기
90: 회전자 커버
99: 회전중심축
111, 112: 회전자 디스크
511 ~ 515, 521 ~ 525, 531~535, 541 ~ 545, 551 ~ 555, 811 ~ 815: 권선 코어
M1 ~ M9: 영구자석

Claims (8)

1. 회전자 및 고정자가 다단으로 형성된 다단발전기에 있어서,
   상기 다단발전기는
   각 단에 외부 동력원으로 회전중심축에 연결되어 회전되는 다수개의 영구자석이 내장되도록 형성된 2개의 회전자 디스크로 이루어진 회전자 사이에 위치하여 유도전압을 발생하는 다수개의 권선 코어로 형성된 고정자를 포함하며,
   상기 다수개의 고정자의 권선 코어는 대응하는 회전자 사이의 원주 공간에 상기 회전중심축을 중심으로 동일한 사이각의 각도로 이격되도록 균일하게 배치되며, 이웃하는 단의 권선 코어는 각각 전단과 일정 각도로 틀어지도록 회전되어 배치되며,
   상기 회전자에 형성되는 영구자석의 개수와 상기 고정자의 권선 코어 개수는 원형으로 균일하게 배분되어 배치될 때, 상기 영구자석과 권선 코어의 위치가 1개 이외에는 서로 완전히 겹치지 않도록 하는 조합으로 구성되되,
   상기 이웃하는 단의 권선 코아는 앞단과 각각 상기 사이각을 전체 단수로 나눈 값의 각도만큼 순차적으로 틀어지도록 회전되어 배치됨으로써, 각 단의 영구자석과 권선코아 간에 작용하는 힘의 벡터는 각단 또는 다른 단의 다른 영구자석과 권선코아에서 작용하는 힘의 벡터와 중심축에 대해 서로 상쇄하도록 작용하는 것을 특징으로 하고,
   상기 고정자의 권선 코어는 각 단에서 각각 전압 위상 차가 가장 적은 권선 코어의 권선을 하나씩 선택하여 직렬로 연결하고, 정류회로를 거쳐서 직류전원으로 변환한 다음, 상기 변환된 직류전원들을 다시 직렬로 연결하여 출력전원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 기동토크가 개선된 다단발전기.
   
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